大学物理第11章磁场中的磁介质课件.ppt

第三篇第三篇 电磁学电磁学 上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。上章我们学习了真空中稳恒电流激发的磁场及其规律。当空间有介质当空间有介质(导体、绝缘体导体、绝缘体)存在时，磁场将与介质发生相存在时，磁场将与介质发生相互作用，我们把磁场中的介质称为互作用，我们把磁场中的介质称为磁介质磁介质。磁介质在外加磁。磁介质在外加磁场作用下自身产生附加磁场的过程称为场作用下自身产生附加磁场的过程称为磁化磁化。本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质本章简要介绍磁介质的性质、磁化的机制、以及磁介质中的安培环路定理。中的安培环路定理。第十一章第十一章第十一章第十一章 磁场中的磁介质磁场中的磁介质磁场中的磁介质磁场中的磁介质第三篇第三篇 电磁学电磁学 与电介质的情况类似，稳恒磁场与电介质的情况类似，稳恒磁场中的磁介质因中的磁介质因磁化磁化而产生而产生磁化电流磁化电流和和附加磁场；磁介质内的总场为原磁场附加磁场；磁介质内的总场为原磁场B0 与附加磁场与附加磁场B的矢量和。的矢量和。一、磁介质对磁场的影响11.1 11.1 11.1 11.1 磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响磁介质对磁场的影响但但附加磁场并不总是削弱原磁场（这一附加磁场并不总是削弱原磁场（这一点和介质的极化不同）点和介质的极化不同），B 的方向，的方向，随磁介质的材料构成而不同。大致可以随磁介质的材料构成而不同。大致可以分为分为三类三类：顺磁质顺磁质 B与与B0同向，同向，B B0抗磁质抗磁质 B与与B0反向，反向，B B0，第三篇第三篇 电磁学电磁学 q顺磁质顺磁质：r 1 如金属铝、锰、铬等。如金属铝、锰、铬等。q抗磁质抗磁质：r 1 如金属金、银、铜等。如金属金、银、铜等。q铁磁质铁磁质：r 1 如金属如金属铁、钴、镍铁、钴、镍等。等。顺磁质和抗磁质的磁性很弱，统称顺磁质和抗磁质的磁性很弱，统称弱磁质弱磁质，它们的相对磁导率一般是常，它们的相对磁导率一般是常数；铁磁质的磁性很强，且具有非线性和磁滞特性，属于强磁场物质，数；铁磁质的磁性很强，且具有非线性和磁滞特性，属于强磁场物质，常常是制作磁铁的材料，它们的相对磁导率往往是变化的。常常是制作磁铁的材料，它们的相对磁导率往往是变化的。实验已经证明，均匀磁介质磁化后，磁介质中的磁感应强度与无介质时实验已经证明，均匀磁介质磁化后，磁介质中的磁感应强度与无介质时(真空中真空中)的磁感应强度有比例关系，这就是介质的的磁感应强度有比例关系，这就是介质的相对磁导率相对磁导率；（可用均；（可用均匀介质充满长直螺线管验证）。匀介质充满长直螺线管验证）。第三篇第三篇 电磁学电磁学 第三篇第三篇 电磁学电磁学 顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很顺磁质和抗磁质的磁化可用安培分子电流假说解释，而铁磁质的磁化很复杂，后面我们将用磁畴的概念解释。复杂，后面我们将用磁畴的概念解释。1.顺磁质的磁化机理顺磁质的磁化机理顺磁性顺磁性顺磁质内的磁感应强度为：顺磁质内的磁感应强度为：q无外磁场时无外磁场时，顺磁质中的，顺磁质中的每个分子虽然具有磁矩每个分子虽然具有磁矩m0m0，但由于分子热，但由于分子热运动而使其取向无规则，物质分子的总分子磁矩运动而使其取向无规则，物质分子的总分子磁矩 m=0m=0，物质对外不显，物质对外不显磁性磁性。q有外磁场时有外磁场时，各分子磁矩在外磁场力矩的作用下，向外场方向偏转取，各分子磁矩在外磁场力矩的作用下，向外场方向偏转取向，物质分子的总分子磁矩向，物质分子的总分子磁矩m m=m m00，从而产生附加磁场，从而产生附加磁场B B。m m 和和B B及及B Bo o同向同向顺磁性。顺磁性。第三篇第三篇 电磁学电磁学 无外场无外场B Bo o时，分子的磁矩排列杂时，分子的磁矩排列杂乱无章，介质内分子磁矩的矢乱无章，介质内分子磁矩的矢量和量和m=m=m=0m=0有外场有外场B Bo o时，分子磁矩沿外场转时，分子磁矩沿外场转向，分子磁矩的矢量和向，分子磁矩的矢量和m=m=m0m0第三篇第三篇 电磁学电磁学 对各向同性（均匀）磁介质，从对各向同性（均匀）磁介质，从导体横截面看，导体内部分子电导体横截面看，导体内部分子电流两两反向，相互抵消。导体边流两两反向，相互抵消。导体边缘分子电流同向。缘分子电流同向。等效等效对各向同性（均匀）磁介质，分子对各向同性（均匀）磁介质，分子电流可等效成磁介质表面的电流可等效成磁介质表面的磁化电磁化电流流I Is s，I Is s产生附加磁场产生附加磁场B B。Is 对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流对各向同性（均匀）磁介质，磁化电流I Is s只出现在介质表面，介质内部无只出现在介质表面，介质内部无磁化电流。磁化电流。第三篇第三篇 电磁学电磁学 磁化电流磁化电流 I Is s 可产生附加磁场可产生附加磁场 B B ，但无热效应，因为无宏观电荷的，但无热效应，因为无宏观电荷的移动，移动，磁化电流束缚在介质表面上，不可引出磁化电流束缚在介质表面上，不可引出，因此，磁化电流也称为，因此，磁化电流也称为束束缚电流缚电流。Is第三篇第三篇 电磁学电磁学 第三篇第三篇 电磁学电磁学 角速度与外磁场同向时角速度与外磁场同向时i产生与产生与B B0 0反向的附加电反向的附加电子磁矩子磁矩m抗磁质的总磁矩抗磁质的总磁矩m=m=m m 0 0与与B B0 0反向反向产生与产生与B B0 0反向的附加磁场反向的附加磁场B B角速度与外磁场反向时角速度与外磁场反向时，可作类似分析而得到相同的结论。，可作类似分析而得到相同的结论。超导体是理想的抗磁超导体是理想的抗磁体，具有超导性和完体，具有超导性和完全抗磁性。全抗磁性。第三篇第三篇 电磁学电磁学 第三篇第三篇 电磁学电磁学 有磁介质时，安培环路定理是：有磁介质时，安培环路定理是：磁介质的总场磁介质的总场传导电流传导电流磁化电流磁化电流三、磁介质中的安培环路定理无磁介质时：无磁介质时：根据实验规律根据实验规律所以所以由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。由于磁化电流的计算很繁，所以我们从无磁介质时出发。定义定义磁场强度：磁场强度：第三篇第三篇 电磁学电磁学 第三篇第三篇 电磁学电磁学 例例1、长直单芯电缆的芯是一根半径为长直单芯电缆的芯是一根半径为R 的金属导体，它与外壁之间充的金属导体，它与外壁之间充满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。满均匀磁介质，电流从芯流过再沿外壁流回。求介质中磁场分布。方向沿圆的切线方向方向沿圆的切线方向解：取如图所示安培回路解：取如图所示安培回路第三篇第三篇 电磁学电磁学 例2：P140,例11.1。第三篇第三篇 电磁学电磁学 电介质中的高斯定理电介质中的高斯定理磁介质中的安培环路定理磁介质中的安培环路定理第三篇第三篇 电磁学电磁学 11.2 11.2 11.2 11.2 铁铁铁铁磁磁磁磁质质质质 在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。在工程技术上常用的磁介质是铁磁质，如电机、变压器和电表等。铁磁质有如下特点：铁磁质有如下特点：1 1在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；在外磁场作用下能产生很强的磁感应强度；112 2当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；当外磁场停止作用时，仍能保持其磁化状态；3 3B B与与H H之间不是简单的线性关系（与顺磁质和抗磁质不同）；之间不是简单的线性关系（与顺磁质和抗磁质不同）；4 4铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性铁磁质都有一临界温度。在此温度（居里温度）之上，铁磁性 完全消失而成为顺磁质。完全消失而成为顺磁质。Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)Fe(1040K)Co(630K)Ni(1390K)磁化曲线磁化曲线磁介质内磁感应强度磁介质内磁感应强度B B随磁场强度随磁场强度H H的变化关系曲线。的变化关系曲线。OHBABCS第三篇第三篇 电磁学电磁学 一、铁磁介质的磁化机理磁畴1.磁畴磁畴磁畴磁畴铁磁质中因铁磁质中因电子自旋电子自旋而引而引起的强烈相互作用，在铁磁质内形起的强烈相互作用，在铁磁质内形成磁性很强的小区域成磁性很强的小区域 。磁畴的体积。磁畴的体积约为约为 1010-12-12 m m3 3 。在无外磁场时，各磁在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；不显磁性；在外磁场中，在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加内部的磁场迅速增加，在，在铁磁质充磁过程中伴随着铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。发声、发热。第三篇第三篇 电磁学电磁学 第三篇第三篇 电磁学电磁学 二、铁磁质的磁化规律磁滞回线1.1.实验目的实验目的:确定铁磁质内的确定铁磁质内的B B随外场随外场H H 的变的变化关系化关系,确定其磁导率确定其磁导率m m 的特点和铁磁质的磁的特点和铁磁质的磁化规律。化规律。a2.实验结果实验结果qoa:起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质起始磁化曲线，未经磁化的铁磁质,起始时起始时,B B 随随H H 而增大而增大,到到a a点达到饱和。点达到饱和。bBrBHoqa b:当外磁场减小时，介质中的磁场当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化外磁场变化磁滞现象磁滞现象,当当H H=0=0时时,B B=B Br r 00，B Br r剩磁剩磁。第三篇第三篇 电磁学电磁学 qb c:加上反向外磁场，则加上反向外磁场，则B B 继续继续减小减小,当当H H=-=-H Hc c时，时，B B=0=0，H Hc c称为称为矫顽矫顽力力,即为了消除剩磁所需加的反向即为了消除剩磁所需加的反向外磁场外磁场H Hc c 。BrHcBHoaqcd：继续增加反向磁场，介质达继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。到反向磁饱和状态。qdef：改变外磁场为正向磁：改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。达到正向磁饱和状态。bcdef磁滞回线磁滞回线闭合曲线闭合曲线abcdefaabcdefa。实验结论实验结论q铁磁质具有铁磁质具有非线性，非线性，其其m m 值具有非单值性，与磁化的历史有关。值具有非单值性，与磁化的历史有关。q铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。铁磁质会出现磁滞和剩磁现象。第三篇第三篇 电磁学电磁学 第三篇第三篇 电磁学电磁学 由于超导体内电阻为由于超导体内电阻为0，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会，超导电流不会产生热量，超导电流也就不会消失，超导体一直会悬浮在磁场中。消失，超导体一直会悬浮在磁场中。q利用这种现象可制成利用这种现象可制成超导超导重力仪重力仪，用来预测地震，用来预测地震，当地震发生之前，地表面当地震发生之前，地表面的重力场会发生变化，超的重力场会发生变化，超导球的位置也会发生变化，导球的位置也会发生变化，由此来预测地震。由此来预测地震。q还可制造超导还可制造超导磁悬浮列车磁悬浮列车，世界上最快的磁悬浮列车世界上最快的磁悬浮列车时速超过时速超过500公里公里/小时。小时。2.超导体的应用超导体的应用第三篇第三篇 电磁学电磁学 无损耗输电。无损耗输电。传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在传统输电过程中总要产生一部分焦耳热损耗，一般在 10%20%，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，如果采用超导体输电，几乎没有电能损失，而且不需要升压，可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至可以不用变压器设备，也不必架设高压线，可以在地下管道中。甚至可以直接传输直流电。可以直接传输直流电。产生强磁场。产生强磁场。因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为因超导体无热损耗，可通过很大电流，如用超导芯线为NbNb3 3SnSn。其最大电流密度为。其最大电流密度为 109 A/m2,在承受相同电流的情况下，超导在承受相同电流的情况下，超导芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，芯线可以细得多，超导磁铁不仅效率高，而且可以做得很轻便。例如，一个能产生一个能产生 5T 的中型电磁铁的重量可达的中型电磁铁的重量可达 20 吨，而超导磁铁的重量吨，而超导磁铁的重量不过几公斤。不过几公斤。美国在美国在 磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，磁谱仪中，将采用超导磁铁产生强磁场，2003 年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。年再次送入地球轨道，观察暗物质和反物质。